Stazione meteo ALUNNO: Paulo Josè Oliveira dos Santos CLASSE: 5 ̂ BZ DOCENTI: Vitonofrio Detrizio, Giancarlo Puzzi Cleto Azzani IPSIA “MORETTO” BRESCIA INDICE 1. Titolo 2. Introduzione 3. Porta parallela PC 4. Descrizione dei sensori 5. Sensore di temperatura interna LM35 6. Spiegazione del circuito 7. Sensore di temperatura esterna LM35 8. Spiegazione del circuito 9. Caratteristiche generali di un ADC 10. Il convertitore ADC0808 11. Il convertitore A/D 12. Circuito di CLOCK 13. Sensore di umidità relativa dell’aria 14. Spiegazione del circuito 15. Convertitore Frequenza/Tensione con LM331 16. Alimentatore stabilizzato con triplice voltage 2 IPSIA “MORETTO” BRESCIA INTRODUZIONE Lo scopo della nostra prova di laboratorio è quello di realizzare un sistema capace di misurare alcune grandezze fisiche ambientali, quali la temperatura esterna, la temperatura interna e l’umidità relativa dell’aria. Per fare ciò ci siamo avvalsi di appositi sensori. I risultati di queste misurazioni possono venire rilevati da un PC interfacciato con la nostra “centralina” tramite porta Parallela, Seriale o Interfaccia USB. Nel nostro caso, per semplicità, ma anche perché l’abbiamo studiata in dettaglio nel corso di “SISTEMI”, abbiamo scelto di interfacciare il tutto alla Porta Parallela del PC. Per fare in modo che il computer (dispositivo digitale) possa acquisire dati analogici è necessario interporre un convertitore Analogico Digitale ad 8 canali (ADC): abbiamo scelto l’ADC0808 della National. La centralina poi si completa con una appropriata logica di controllo necessaria per la selezione dei canali, la serializzazione del dato binario in uscita al convertitore ADC (ADC 0808), la generazione del clock e la corretta temporizzazione di tutte le fasi del ciclo di conversione. I sensori ed il loro circuito di condizionamento sono tuttavia stati sostituiti da potenziometri unicamente per limitare i costi della esercitazione. 3 IPSIA “MORETTO” BRESCIA INTRODUCTION The purpose of this project is to realize a system capable of measuring some environmental physical quantities such as internal temperature, external temperature and humidity. For this purpose we have selected special sensors . The results of these measurements can be detected by a PC interfaced with our “central unit” through a parallel port, serial port or USB Interface. In our case for simplicity, but also because we have studied in detail in our course of SISTEMI, we have chosen to interface everything to the parallel port of the PC. In order to let the computer (digital device) acquire analog data, it is necessary to insert an 8 channel Digital to Analog converter (ADC). We have the ADC0808 of National. The “central unit” includes also an appropriated control logics necessary for the selection of the channels, the serial mode of the binary data at the output converter ADC (ADC 0808) the generation of the clock and the corrected timing of all the conversion cycle phases. However the sensors and their conditioning circuit have been replaced by trimmers in order to limit only the costs of the test. 4 IPSIA “MORETTO” BRESCIA DESCRIZIONE DEI SENSORI SENSORE DI TEMPERATURA INTERNA LM35 La minima temperatura ambiente è un elemento fondamentale per la gestione di una stazione meteo. Come sappiamo bene oggi per alcuni motivi naturali le temperature continuano a cambiare da un momento al l’altro, perciò dobbiamo essere sempre aggiornati su tali valori. Il sensore utilizzato per il rilevamento della temperatura interna e esterna della nostra stazione meteo è LM35 che è un trasduttore che genera una tensione in base alla temperatura e è dotato di una calibrazione interna per la rilevazione di temperature in scala Celsius. Il range di temperature misurabili si estende da -55 a +150 gradi centigradi con un errore di ± 0,25°C a temperatura ambiente e ± 0,75°C agli estremi della scala. L’impedenza di uscita è di circa 0.1 Ω per un carico che assorba 1mA. Alimentabile da 4 a 20V, permette la misura di temperature positive da +2 a 150°C; l’uscita vale 0mV a +2°C per poi progredire in rapporto di 10mV/°C. Il sensore a 0°C dà una tensione pari a 0 V, invece quando la temperatura è pari a 50°C il sensore lascia passare una tensione di 500mV. Alla variazione di 1°C all’uscita del dispositivo abbiamo una variazione di 10mV. Per ottenere il segnale su una scala è stato dimensionato in modo da avere 0V per 0°C e 5V per 50°C. V (T ) = K ⋅ T K=10mV/°C T°C = Variazione di temperatura (0°C – 50°C) in gradi centigradi. 5 IPSIA “MORETTO” BRESCIA 2 12V +12V VOUT U3 8 U2A 1 3 + 2 - R1 1 TL082 5K6 3 4 VIN ADJ -12V TRIMMER R2 3 1 1OK 2 47K SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO Il circuito di condizionamento di figura rappresenta un amplificatore operazionale non invertente con guadagno pari a 10. Tale guadagno si ottiene con la seguente formula: ⎛R Av = 1 + ⎜⎜ 2 ⎝ R1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ fissando R1 = 5,6 K di conseguenza O°C R2 = 9 ⋅ R1 R2 = 50,4kΩ(val.comm.47 kΩ + trimmer10kΩ ) 50°C 0V 0,5V 0V 5V Con una buona taratura del trimmer 10k si riesce ad ottenere(nei limiti della precisione) una tensione di uscita proporzionale alla temperatura misurata dal sensore. 6 IPSIA “MORETTO” BRESCIA MISURA DELLA TEMPERATURA ESTERNA Per la misura della temperatura esterna avevamo inizialmente pensato al AD590, un trasduttore di temperatura che produce una corrente in uscita proporzionale alla temperatura assoluta. Il trasduttore genera una corrente 1µA/°K, per alimentazioni che variano da +4V a +30V, e presenta una buona linearità in un ampio range di temperatura. L’elevata resistenza di uscita e l’uscita stessa in corrente la rendono ideale per misure anche a notevole distanza. Sfortunatamente la non reperibilità sul mercato (presso i vari fornitori da me contattati) mi hanno obbligato a l’utilizzo del LM35. 2 12V +12V VOUT U3 8 U2A 1 3 + 2 - R1 1 TL082 5K6 3 4 VIN ADJ -12V TRIMMER R2 3 1 5K 2 22K SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO E COMMENTI: Il circuito di condizionamento di figura rappresenta un amplificatore operazionale non invertente con guadagno pari a 5. Tale guadagno si ottiene con la seguente formula: ⎛R Av = 1 + ⎜⎜ 2 ⎝ R1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ fissando R1 = 5,6 K di conseguenza R2 = 4 ⋅ R1 R2 = 22,4kΩ(val.comm.22kΩ + trimmer 5kΩ ) 7 IPSIA “MORETTO” BRESCIA 0°C 100°C 0V 1V 0V 5V Con una buona taratura del trimmer 5k multigiri si riesce ad ottenere(nei limiti della precisione) una tensione di uscita proporzionale alla temperatura misurata dal sensore. SENSORE DI UMIDITÁ RELATIVA DELL’ARIA Il sensore è basato su tecnologia capacitiva, questo sensore di umidità è stato progettato per applicazioni a basso costo come il controllo nelle auto, condizionamento negli uffici/locali pubblici. Ma per la nostra prova è molto adatto perché quando abbiamo realizzato la nostra prova il sensore si è dimostrato facile da usare, per facile da usare intendo la facilità di progettazione del suo circuito di condizionamento, ed inoltre è stato molto affidabile nelle prove realizzate in laboratorio di elettronica. Il principio di misura capacitivo del sensore di umidità relativa si basa sulle modifiche delle caratteristiche dielettriche di una resina polimera in funzione dell’umidità relativa presente. Il sensore scambia vapore con l’ambiente fino a quando sulla sua superficie la pressione parziale del vapore acqueo é uguale a quella dell’ambiente. Si traduce in una variazione di umidità relativa. 2 R 1 4 VCC TR R2 8 Q DIS 5 CV THR 3 OUT 120K 7 6 R1 120K U3 NE555 C2 C1 10nF CS SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO Il sensore di umidità relativa H5100 a 23°C e 75% UR ha una capacità nominale di 500pF ± 10%. Esso è stato inserito nel seguente circuito un 8 IPSIA “MORETTO” BRESCIA astabile con NE555(un timer di precisione) che genera una frequenza data dalla seguente formula: f = 1,44 (R1 + 2 ⋅ R2 ) ⋅ C Caratteristiche H5000-H5100 Sensore di umidità relativa • • • • • Sensore capacitivo a film sottile Campo di lavoro: 0 ... 100 %UR, -30°... +80 °C Massimo rapporto: 150g acqua / Kg aria secca Bassa isteresi Tempo di risposta: 2 secondi CONVERTITORE FREQUENZA/TENSIONE U4 7 5 2 R8 IN LM331 OUT R/C FREQ REF 8 THRES R9 1 4 3 6 C5 R7 1uF 100K 12K 5K R6 R3 6.8K C3 IN R5 10K R4 C5 68K 10nF 10K 470pF VCC 15V SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO L’LM331 è un I.C. usato per la conversione di precisione di tipo frequenza/tensione, modulatore e demodulatore lineare di frequenza e molte altre funzioni. Il principio su cui è basato il convertitore è il seguente: in corrispondenza di ogni fronte del segnale d'ingresso si generano impulsi di ampiezza e durata fissa di cui, in seguito, viene estratto il valor medio con un filtro passa basso, facilmente identificabile in figura. Essendo LM331 ormai un componente obsoleto, ho dovuto(anche se da me il circuito è stato progettato) usare un partitore di tensione con un trimmer regolabile per 9 IPSIA “MORETTO” BRESCIA simulare le variazione della tensione da 0V a 5V che doveva uscire dal circuito realizzato.A questo punto è necessario convertire il segnale analogico in un segnale digitale al fine di consentirne la gestione da parte del computer, quindi l’aggiornamento in tempo reale sul computer. Come ADC abbiamo utilizzato il ADC0808, che ha una risoluzione di 8 bit e un tempo di conversione di 100 µs. La precisione del sistema risulta quindi essere migliore di 0,1 msec, pienamente accettabile per l'applicazione nella nostra stazione meteo. CARATTERISTICHE GENERALI DI UN ADC : CONVERTITORE ANALOGICO-DIGITALE La funzione dei convertitori A/D è quella di trasformare un livello di tensione in un numero espresso in codice binario ad esso corrispondente come esplicitato dalla formula: ( ) ⎛ VI ⋅ 2 8 − 1 ⎞ ⎟⎟ N = ⎜⎜ V REF ⎠ ⎝ V è la risoluzione del convertitore e n è il numero dei bit del dove REF 28 convertitore A/D. PRECISIONE E' definita dallo scarto tra il valore convertito ed il valore vero della grandezza in esame. Le cause che alterano la precisione del convertitore sono essenzialmente : • la deriva, intesa come effetto della temperatura, dell'invecchiamento dei componenti e delle fluttuazioni dell' alimentazione; • la non linearità del comportamento. SENSIBILITÀ E' rappresentata dal più piccolo livello di tensione che può essere convertito. Si definisce anche il massimo valore dei segnali di ingresso che consentono al convertitore di lavorare nelle migliori condizioni di funzionamento. POTERE RISOLUTIVO E' la più piccola variazione di tensione cui è sensibile il convertitore, questo non è da confondere con la sensibilità in quanto il convertitore può non avvertire tensioni prossime allo zero ma può sentire piccole variazioni in un punto qualsiasi delle sue caratteristiche di comportamento dinamico. TEMPO DI CONVERSIONE 10 IPSIA “MORETTO” BRESCIA Rappresenta il tempo impiegato dal circuito per eseguire la conversione da analogico in digitale. Gli elementi che lo compongono sono: • tempo di conversione incrementale: è il tempo impiegato a convertire una tensione corrispondente al potere risolutivo, cioè al minimo incremento cui il circuito è sensibile; • tempo di conversione sull'intera scala: tempo impiegato dal circuito ad effettuare la conversione della massima tensione misurabile ( a partire dal livello 0 ). IL CONVERTITORE ADC0808 Il circuito integrato ADC0808 è un dispositivo CMOS monolitico convertitore A/D ad 8 bit corredato di multiplexer a 8 canali e di logica di controllo compatibile con sistemi a microprocessore. Il circuito utilizza la tecnica delle approssimazioni successive nel sistema di conversione ; presenta inoltre un comparatore stabilizzato “chopper” ad alta impedenza, un partitore di tensione a 256 resistenze con un insieme di interruttori analogici e un registro SAR . Il multiplexer ad 8 canali può accedere direttamente a uno degli 8 segnali analogici con massa in comune. Il dispositivo elimina il bisogno di una massa esterna e di una regolazione di fondo scala. Il componente offre alta 11 IPSIA “MORETTO” BRESCIA velocità, alta precisione, minima dipendenza dalla temperatura, e consuma una minima energia. L' ADC 0808 presenta le seguenti caratteristiche : • risoluzione a 8 bit ; • errore totale non correggibile compreso fra +/- 1/2 LSB e +/- 1 LSB ; • alimentazione singola pari a 5V ; • potenza dissipata 15 mW ; • tempo di conversione pari a 100 µs ; IL CONVERTITORE A/D Il registro ad approssimazioni successive (SAR) esegue 8 iterazioni per effettuare la misura della tensione d'ingresso. Il SAR del convertitore A/D si resetta sul fronte di salita del segnale di inizio conversione SC. La conversione ha inizio sul fronte di discesa del segnale di inizio conversione SC (modalità di funzionamento monostabile). Una conversione in atto verrà interrotta da un 12 IPSIA “MORETTO” BRESCIA nuovo segnale di inizio conversione SC. Si possono ottenere conversioni continue collegando l' uscita di fine conversione (EOC) all' ingresso SC (modalità di funzionamento astabile). Se usato in questo modo, è necessario fornire un impulso esterno di inizio conversione subito dopo avere dato tensione al convertitore. L'uscita EOC (fine conversione) andrà a livello basso in un tempo compreso fra 1 e 8 periodi di clock a partire dal fronte di salita del segnale SC. La più importante sezione del convertitore A/D è il comparatore. Questa sezione è responsabile della precisione finale dell' intero convertitore. Anche la deriva del comparatore ha una grande influenza sulla ripetibilità del dispositivo. Un comparatore stabilizzato di tipo “chopper” fornisce il metodo più efficace per soddisfare tutte le richieste del convertitore. Il comparatore stabilizzato chopper converte il segnale continuo d'ingresso in un segnale alternato. Questo segnale viene introdotto in un amplificatore in alternata ad elevato guadagno, in uscita viene ripristinato il livello continuo. Questa metodo limita considerevolmente gli effetti negativi della deriva dei componenti dell'amplificatore dato che la deriva di un componente in continua non passa attraverso un amplificatore in corrente alternata. Questo fa si che l'intero convertitore sia estremamente insensibile alla temperatura, alla deriva per lunghi periodi e agli errori di offset. CIRCUITO DI CLOCK C1 1nF U1C U1B U1A OUT 6 5 7404 4 3 7404 2 1 7404 R1 R2 560ohm 560ohm SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO Il circuito qui sopra riportato è un generatore di onde quadre che eroga un’onda con frequenza pari uguale a 500kHz, questo valore si ottiene attraverso il dimensionamento delle due resistenze, perciò cambiando le resistenza cambia anche il valore di frequenza. Come si può vedere il circuito di clock è realizzato con un circuito integrato della famiglia TTL e è alimentato a una tensione di 5V. La frequenza di valore di 500kHz è ideale per il riferimento del convertitore ADC0808 che ha bisogno di questo clock per poter realizzare la conversione. ALIMENTATORE STABILIZZATO 13 IPSIA “MORETTO” BRESCIA + 1 4 - T2 U2 LM7805 Vin 12V VI W005G 3 C7 + 270uF - Vout +5V GND 2 D1 VO C14 0,47uF R1 4,7k C11 1uF TANTALIO TR2S U3 LM7812 Vin 18V + 1 4 - VI W005G 3 + - C1 270uF Vout 12V GND 2 0V D2 VO C15 0,1uF TANTALIO C12 1uF R3 120ohm R5 1K C8 + - R6 1K 0V C16 0,1uF R4 270uF C13 1uF TANTALIO VI -Vin 18V GND 120ohm VO Vout -12v U4 LM7912 SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO L’alimentatore stabilizzato è realizzato con una serie di stabilizzatori integrati a larga diffusione che sono i 7812, circuito per alimentazione positiva a 12V, il 7805 usato per l’alimentazione positiva a 5V e il 7912 usato per alimentazioni negativa a -12V. Tutti i tre tipi hanno tre pin esterni ed le sigle XX rappresenta la tensione nominale dell’uscita stabilizzata. Il circuito ha una funzione molto semplice e cioè il trasformatore usato è un trasformatore a triplice uscita che a causa di bisogni tecnici abbiamo dovuto alimentare i circuiti di condizionamenti dei due sensori di temperatura con alimentazione duale a 12V e -12V. Dato che; sia l’ADC0808, sia il 7404 sono circuiti integrati della famiglia TTL, hanno bisogno di una alimentazione pari a 5V, perciò usiamo tre tipi di tensione diverse. Si osservi nel circuito la presenza di due condensatori d’ingresso per ogni integrato, (*devono essere collegati con reofori molto corti tra i pin dell’integrato). Inoltre questi due condensatori hanno il compito di eliminare accoppiamenti tra uscita e ingresso dell’integrato che, causa l’elevato fattore di reazione interna, possono provocare inneschi con conseguenti oscillazioni. Le capacità sull’uscita, di valore 1µF, devono essere di elevate qualità (mylar od elettrolitico al tantalio), hanno il compito di ridurre l’impedenza d’uscita 14 IPSIA “MORETTO” BRESCIA dello stabilizzatore per le armoniche d’ordine elevato, dovute a rapidi transistori. PORTA PARELLA LATO PC: *Per approfondire maggiormente la struttura hardware della interfaccia parallela si è tradotto una parte del documento : Interfacing the IBM PC Parallel Printer Port Version 0.95 6/7/94 Zhahai Stewart [email protected] disponibile su Internet CONVENZIONI ADOTTATE NEL DOCUMENTO -Un livello logico alto è il livello alto TTL compreso tra +2,4 a +5 V ; -Un livello logico basso è il livello basso TTL compreso fra 0 V a 0,8 V ; -Il DATO è alto quando è a L.L.1, mentre è basso quando, viceversa è a 0. Le etichette come -STROBE, oppure come +BUSY, sono definite dalle stampanti e dal PC IBM. Il prefisso “-“ (o il trattino sul nome) implica che il segnale è attivo a L.L basso. Il prefisso “+” significa che il segnale è attivo a L.L alto. I dati in uscita dal registro sono numerati da D0 a D7, con D7 come più significativo. I bit di CONTROL OUT sono chiamati da C0 a C3 (per quelli che vanno ai pin) e C4 (per l’enable IRQ), e magari C5 (per delle porte bidirezionali, per controllare la “direzione” dei dati). I bit di STATUS-IN sono numerati da S3 a S7, con un + o un - per i livelli logici alti o bassi. Tutti i bit di DATA-OUT non sono negati, come i dati per la porte bidirezionali, ma non hanno il suffisso +. I numeri esadecimali sono preceduti da “0x”, secondo l’uso comune del “linguaggio C”. Uscita “tristate” significa in condizioni di “alta impedenza”. 15 IPSIA “MORETTO” BRESCIA TECNICHE DI INTERFACCIAMENTO I sistemi di interfacciamento, vengono utilizzati nei PC per connettere il sistema di elaborazione dati con i dispositivi periferici esterni (tastiera, mouse, video, stampante, plotter, unità HD, FD, CD-ROM, modem ecc). Alcuni sistemi di interfacciamento sono essenziali per il funzionamento del sistema stesso (interfaccia video, interfaccia tastiera), altri sono opzionali. Fra le modalità di trasferimento dati distinguiamo la “modalità parallelo” attuata ad esempio nel caso dell’interfaccia di una stampante e interfacciamento seriale (verso un modem o un plotter o una stampante seriale). Nel caso di interfaccia parallela, il dato a 8 bit che deve essere trasferito fra sistema di elaborazione dati e periferica esterna transita su otto conduttori distinti che costituiscono un “bus” (veicolo di trasmissione dei dati). Il dato in questo caso viene trasmesso in un unico ciclo contemporaneamente sugli otto conduttori distinti che costituiscono il “bus”. 16 IPSIA “MORETTO” BRESCIA TEMPORIZZAZIONE DEI SEGNALI NEL CASO DI INTERFACCIA PARALLELA *Il grafico qui sopra riportato è l’andamento dei dati nel caso delle stampanti. Ẻ un esempio per fare capire come viaggiano i dati nel tempo con l’interfaccia parallela. Nella figura è mostrato il comportamento dei segnali nel tempo. Una volta partito il segnale con un brevissimo ritardo approssimativamente di 0.5 µsec, parte il segnale di strobe indicante che la stampante è attiva, il ritardo permette ai dati di arrivare tutti contemporaneamente. All’interno 17 IPSIA “MORETTO” BRESCIA della stampante c’è un buffer (che corrisponde ad una riga di carattere da stampare) che richiede tempo per riempirsi e viene svuotato quando è pieno. L’operazione consecutiva al comando di strobe è la segnalazione di ACKNOWLEDGE (ACK), un segnale che normalmente è attivo a 1 (nel momento in cui invio il dato e lo strobe) e va a livello 0 quando la stampante ha finito di stampare il dato (buffer vuoto) quindi è pronta a ricevere altri dati, l’impulso dura circa 0.5 usec. Un altra linea di controllo è il BUSY, un segnale che normalmente è a livello 0 (prima del dato) e poi quando arriva il dato passa a livello attivo 1, questo impulso indica che la stampante non è per un attimo in grado di ricevere dati. INTERFACCIA PARALLELA PC : LATO PC (DB25F) Denominazione del pin I/O Note D0,D1,D2,D3...........D7 output Bit di uscita Strobe output Il livello di questo segnale normalmente è alto, si abbassa quando invia dei dati. Siccome i bit che viaggiano sui cavi conduttori non giungono a destinazione tutti contemporaneamente, il segnale di “strobe” avverte il ricevitore che i dati sulle 8 linee sono validi. Il segnale di strobe viene generato in ritardo rispetto alla trasmissione dei dati. input Un livello basso di acknowledge, indica che la stampante è pronta a ricevere altri dati, (Dato Valido) Acknowledge (Dato Ricevuto) 18 IPSIA “MORETTO” BRESCIA l’impulso è di circa 0,5 usec. PE (Mancanza Carta) input Un livello alto del PE indica che la carta nella stampante è terminata. Error input Indica che la stampante non è in linea o si trova in stato di errore. Gnd ---------- Ritorno di massa (Signal ground). Busy (Stampante Occupata) input Un livello alto di Busy indica che la stampante non è in grado di ricevere dati. Connettore vaschetta 25 poli femmina sul PC Connettore vaschetta 25 poli maschio sul cavo stampante 19 IPSIA “MORETTO” BRESCIA LIBRI DI TESTO: Libro n°1 Nome: Elettrotecnica, Elettronica e Telecomunicazioni. Modulo: Volume 2. Autori: R. Giometti – F. Frasari Casa editrice: Calderini. Libro n°2 Nome: Elettronica Generale. Dispositivi applicazioni. Edizione: n°2 Autore: Giuseppe Lotti Casa editrice: La sovrana editrice – fermo Siti internet www.datasheet.com www.texasintruments.com www.google.it www.motoridiricerca.it 20 IPSIA “MORETTO” BRESCIA Ringrazio in particolare al professore Vitonofrio Detrizio e Cleto Azzani che mi hanno aiutato e si sono messi a mia disposizione, fino allo svolgimento completo della tesina di maturità. 21